特刊：微滤膜和超滤膜科学与技术

微滤/超滤膜的污染控制：形态学，亲水性和电荷性的影响

摘要：由于浓度极化和污垢问题，膜基分离过程非常容易出现通量下降。尽管低压驱动的微滤膜和超滤膜在很多领域有广泛的应用，但污染仍被视为主要的消极方面，使膜的使用寿命减少。在膜的形成过程中所获得的重要的膜特性，如亲水性、电荷和形态被认为是决定膜的污垢性能的因素。在这篇综述中，我们重点介绍了亲水性、电荷和形态对MF和UF污垢的影响，预测这些因素最常用的测量仪器技术的原理，以及一些可行的污染防控措施。这篇综述也通过对微滤膜和超滤膜改进技术的研究来获得膜的抗污染性能。

关键词：微滤膜； 超滤膜； PVDF；亲水性；

前言

超滤(UF)和微滤(MF)膜分离技术有着广泛的应用。超滤膜和微滤膜分离的是通过膜的极小的悬浮粒子和溶解的大分子（表面孔径范围为 50-1nm）^[1]，许多聚合物，包括聚醚砜(PES)、聚砜(PSF)、聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚丙烯腈(PAN)，通常用于UF和MF^[2]。诸如良好的机械强度和物理化学稳定性、优异的薄膜形成性能、在大范围的pH值下的稳定性以及热稳定性(高玻璃化转变温度)使这些聚合物成为良好的膜材料^[3]。除了孔径大小和操作压力的差异，MF和UF膜的主要区别在于它们在各个领域的应用。例如，MF膜在去除细菌方面是有效的，在这个过程中，只有部分过滤性毒菌被捕获。而超滤膜则可以完全移除病菌。当前，MF膜广泛应用于饮料和药剂的冷杀菌;清除果汁、葡萄酒和啤酒;从水中分离细菌(生物废水处理);废水处理;油水乳液的分离;纳滤前预处理或反渗透预处理;以及在制药和食品工业中的固液分离。UF在乳品工业(牛奶，奶酪)的应用中十分有效。纳滤、食品工业(果汁过滤)、血液过滤与处理(血液透析)、蛋白质纯化、无菌过滤、高分子分离、金属工业(油水乳化液分离、油漆处理)、纺织工业(除染料、污水处理)，也是纳滤和反渗透过程中膜的预处理。

尽管MF和UF膜在各个领域有着广泛的应用，但由于膜表面和膜孔内的固体、悬浮颗粒、胶体和细菌的积累，它们的渗透性和选择性随着时间的推移而下降;这就是所谓的膜污染。污垢是指沉积在膜表面或孔壁上孔内的残留的颗粒、胶体、大分子、盐类、生物分子等。污垢会暂时或永久地降低膜通量^[4]。污染的主要机制是(1)部分物质的吸附在膜孔内(孔隙收缩),(2)个人毛孔的堵塞通过类似大小的微粒毛孔(毛孔阻塞),和(3)的积累完全拒绝了膜表面的颗粒物上也形成(蛋糕) ^[5]。污垢是由于浓差极化、吸附和泥饼层沉积的综合作用造成的。

膜污染是由于膜表面与污物之间的相互作用而引起的，污物包括无机、有机、生物等多种物质形式^[6]。不仅与膜表面发生物理作用，而且还会使膜材料发生化学降解。例如，胶体粒子，如天然有机物(NOM)，不仅与膜表面发生物理作用，而且会对膜材料进行化学降解。在MF和UF膜过滤过程中，分离性能和膜污染都受到表层孔隙结构(尺寸、形状、长度和孔隙率)和化学(功能、电荷和亲水性)的强烈影响^[7]。并不是所有的MF或UF膜都以相同的速度受到污染，这可能是由于聚合物组成和其他膜表面特性(如疏水性、粗糙度、孔径和几何形状、电荷密度)的不同，这些特性被认为控制了污物在初始表面附着的速度^[8],^[9]。本文对超滤膜和中频膜的污染控制进行了综述。我们讨论了亲水性、电荷和形态对MF和UF污垢的影响，

MF / UF膜污染

超滤膜的污染可分为三类:粒子污染、无机污染、生物污染和有机污染。在无机污垢中，污垢机理包括:首先，颗粒在膜表面和孔隙内部积聚，最后形成滤饼层^[10]。一些生物活性生物，如细菌、病毒和藻类，当它们附着在膜上并生长形成生物膜时，会引起膜生物膜化。细菌与分离膜表面的相互作用可能更为复杂;细菌粘附到膜表面可以简单地通过非特异性吸附(例如，通过疏水相互作用)来启动。一旦附着，细菌可以在膜表面生长，并合成不溶性的胞外多糖，将附着的细菌包裹在一个三维(3D)基质中。随着胞外多糖的积累和细菌的繁殖，在膜表面会形成一层不易被洗涤去除的成熟生物膜^[11]。膜生物膜化通常被认为是不可逆的，由于微生物的自我复制特性，处理起来非常困难^[12]。NOM是有机污垢的主要来源^[13]。另一方面，NOM可能会污染膜的内部和外部。在这三种类型的污垢中，NOM被认为在膜污染中起着关键作用，因为它与水环境中的许多表面相互作用和或吸附^[14]。NOM可以吸附在膜材料上，堵塞或收缩膜孔。它还可以覆盖粒子的表面，并影响它们之间或与膜的相互作用。

最重要的是，污染物在MF，UF膜中将有不同的应用。在MF膜中(孔径asymp;0.1-1毫米)，无机粒子和微生物最有可能通过在膜的外表面形成结块而污染膜。这种污垢的严重程度取决于滤饼的性质(如粒径、颗粒表面电荷、压缩性)。表一为MF/UF膜在各个领域应用过程中遇到的各种类型的污染物。

表一:MF/UF膜在各种工艺中使用的常见发酵剂

MF/UF的污染产生机理

一般情况下，对于MF和UF膜，主要存在两种不同的污染现象。第一种是大溶质或颗粒吸附，是指在没有过滤的情况下，颗粒与膜表面之间发生的特定的分子间相互作用。^[15]它通常是不可逆的，不能用流体力学方法去除的粘着污垢。不可逆污垢可能是由疏水相互作用、氢键、范德华力和细胞外大分子间的相互作用在污垢与膜表面间发生^[16]。在过滤过程中，不可逆的污垢是由孔隙堵塞和强烈附着的污物引起的。第二种类型称为过滤诱导大溶质或颗粒沉积;它通常是可逆的；非粘附性的污染，其中细胞、细胞碎片和其他被抛弃的颗粒在膜的顶部表面堆积明显^[17]。这种污垢在本质上是可逆的，可以通过水动力方法(如反冲洗和交叉冲洗)去除。它以外部污垢或形成滤饼的形式出现。由滤饼形成的可逆污垢对膜表面化学的依赖性较弱。

在膜基工业中，微滤或超滤膜的选择是非常重要的。与此同时，对被过滤的物体中出现的污染物的大量了解是十分必要的。这是因为不同的污染物对膜表面的污染机理不同。人们普遍认为，在MF和UF过程中，类蛋白物质对膜污染有较严重作用。同时，不同的助熔剂与同一膜表面的相互作用类型不同。

研究膜污染的分析技术

影响膜污染的三个主要参数是亲水性，表面电荷和表面粗糙度。由于大多数污物具有疏水性而使有一定亲水性的膜具有较好的防污性能;表面电荷减少了水垢的形成，表面粗糙度则增加了膜污染^[18]。其他因素，如化学成分和孔隙率，也影响膜的污染性能。各种显微技术,如扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜、原子力显微镜(AFM),共焦激光扫描显微镜、环境扫描电镜、光谱技术,如傅里叶变换红外(FTIR)光谱、核磁共振、表面增强拉曼光谱,可以用来评估污染控制因素,如形态、电荷、亲水性的膜表面。其中，以下分析技术常被研究人员用来评估膜的污染趋势和阻力特性.

。

图1所示.原子力显微镜的示意图。

接触角分析

接触角是液体或蒸汽界面与固体表面接触的角度。一般来说，如果水接触角小于90度，则认为固体表面是亲水的^[19]。疏水膜表面是通过破坏聚合物基体内的分子间键形成的;这使其具有较低的表面能量。膜样品的制备、测量时间和液滴体积对接触角值有较大的影响^[20]。

MF和UF膜的接触角值取决于它们的表面亲水性(或疏水性)、粗糙度、孔隙度、孔径和孔径分布。对于具有高渗透性的膜，尽管膜不一定是亲水的，接触角值也可能变得非常低。同样，当两种膜具有相近的亲水性值时，表面粗糙度较高的膜的接触角值将比表面粗糙度较低的膜的接触角值高。接触角值越小的膜对水的亲和力越高。与滤料的最初接触导致形成的水化层阻止了进一步积累的疏水污染物。总的来说，接触角能够大致评估诸如膜的表面亲水性、粗糙度和孔隙率等决定因素。利用接触角本身作为判断膜污染的主要工具的研究较少。

超滤膜和微滤膜采用不同的接触角测量技术;这些方法包括固着法、浸泡法、固定泡法和粘着泡法^[21],^[22]。不同膜表面接触角值的变化，反映了膜表面孔隙率、表面粗糙度、测量过程中表面形貌的变化(例如，由表面干燥引起的测量)、表面不均匀性和溶液或固体表面的污染^[23]。膜形态结构的断裂是干样品与膜表面接触角测量的一个缺陷^[24]。

AFM、SEM分析lt;

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

英语原文共 22 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[275597]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word